海洋平臺設(shè)計(jì)

1、由于海洋平臺在惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè)，其可能受到的外載荷及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)都很難精確的確定，再加上人們對海洋平臺設(shè)計(jì)和使用還缺乏經(jīng)驗(yàn)，所以平臺的重大事故不斷發(fā)生。1979年中國的“渤海二號”自升式平臺翻沉，死亡72人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3700多萬元；1980年挪威的“亞歷山大.基爾蘭”半潛式平臺傾覆，死亡123人；1983年中國“爪哇?！碧柊霛撌狡脚_傾覆死亡84人；1988年7月北海的PiperAlpha導(dǎo)管架平臺因天然氣泄漏，與明火相遇發(fā)生爆炸，死亡167人，直接損失9億美元；2001年3月15日巴西P36半潛平臺發(fā)生爆炸后沉沒。從從打撈的實(shí)物證實(shí)，全船甲板上共打撈的實(shí)物證實(shí)，全船甲板上共有有101

2、0個(gè)通風(fēng)筒，被風(fēng)浪打掉個(gè)通風(fēng)筒，被風(fēng)浪打掉4 4個(gè)，個(gè)，大量海水涌入泵艙、機(jī)艙，動力機(jī)大量海水涌入泵艙、機(jī)艙，動力機(jī)械停止運(yùn)行，械停止運(yùn)行，無法排水，造成船體無法排水，造成船體負(fù)荷迅速增加，喪失了穩(wěn)定性，導(dǎo)負(fù)荷迅速增加，喪失了穩(wěn)定性，導(dǎo)致在風(fēng)浪中沉沒致在風(fēng)浪中沉沒。船體船體設(shè)計(jì)上存在嚴(yán)重缺陷。該鉆井設(shè)計(jì)上存在嚴(yán)重缺陷。該鉆井船是船是19681968年日本制造的，主甲板通年日本制造的，主甲板通風(fēng)筒設(shè)計(jì)很不完善，通風(fēng)筒的船體風(fēng)筒設(shè)計(jì)很不完善，通風(fēng)筒的船體基底太低，沒有風(fēng)雨密封關(guān)閉裝置，基底太低，沒有風(fēng)雨密封關(guān)閉裝置，通風(fēng)管道沒有水密封艙隔離閥。其通風(fēng)管道沒有水密封艙隔離閥。其心臟心臟艙室艙室機(jī)艙機(jī)

3、艙、泵艙又毫無遮、泵艙又毫無遮蔽，是一個(gè)沒有隔離間的通艙，也蔽，是一個(gè)沒有隔離間的通艙，也沒有設(shè)計(jì)應(yīng)急的排水系統(tǒng)和發(fā)電設(shè)沒有設(shè)計(jì)應(yīng)急的排水系統(tǒng)和發(fā)電設(shè)備備。當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)拖航狀態(tài)按計(jì)算可抗拖航狀態(tài)按計(jì)算可抗1212級臺風(fēng)，級臺風(fēng)，如果如果4 4個(gè)通風(fēng)筒不被打掉，或打掉個(gè)通風(fēng)筒不被打掉，或打掉后有密封裝置，是不會在后有密封裝置，是不會在1010級大風(fēng)級大風(fēng)下沖擊翻沉的。下沖擊翻沉的?！安澈６柌澈６枴薄白ν酆Ｗν酆！碧柼栯`屬美國得克薩斯州環(huán)球海運(yùn)公司隸屬美國得克薩斯州環(huán)球海運(yùn)公司, ,是是美國美國19741974年建造的自航式鉆井年建造的自航式鉆井船，總長船，總長121.20121.20米米, ,寬

4、寬19.8119.81米滿載排水量為米滿載排水量為1100011000多噸。由于它設(shè)備先進(jìn)多噸。由于它設(shè)備先進(jìn), ,主作效率高主作效率高, ,可在各種惡劣條件下作業(yè)可在各種惡劣條件下作業(yè), ,它的船東自豪它的船東自豪地把它地把它稱為稱為“全天候鉆井船全天候鉆井船”。這條船曾先后在美國、。這條船曾先后在美國、墨西哥和委內(nèi)瑞拉等海域鉆探作業(yè)、共打了墨西哥和委內(nèi)瑞拉等海域鉆探作業(yè)、共打了7070多口井多口井, ,立下了立下了戰(zhàn)功。戰(zhàn)功。19821982年年9 9月月, ,我國海洋石油總公司與美國我國海洋石油總公司與美國阿科公司簽訂了阿科公司簽訂了合作開發(fā)鶯歌海合作開發(fā)鶯歌海部分海域石油和天然部分海域

5、石油和天然氣合同。于是氣合同。于是,“,“爪哇海爪哇?！北阕饨o阿科石油便租給阿科石油公司，并公司，并于于19831983年年3 3月到達(dá)我國月到達(dá)我國三亞港三亞港?！白ν酆Ｗν酆！碧栐谔栐?9831983年年1010月月2525日日2323點(diǎn)點(diǎn)5555分左右傾覆和分左右傾覆和沉沒沉沒, ,它是由于它是由于6 6號和號和7 7號右舷邊艙進(jìn)水號右舷邊艙進(jìn)水, ,或或由臺風(fēng)產(chǎn)生由臺風(fēng)產(chǎn)生的的大浪傾覆作用的大浪傾覆作用的結(jié)果；以及結(jié)果；以及靠近靠近9191號隔壁處船體的號隔壁處船體的縱向或橫向裂縫引起的?？v向或橫向裂縫引起的。 P-36號平臺是15日凌晨發(fā)生爆炸的，2人當(dāng)場死亡，1人重傷，9人失蹤。隨

6、后，巴西石油公司展開了緊急救援，雇用潛水員，向平臺艙內(nèi)灌注氮?dú)夂蛪嚎s空氣，曾使平臺停止下沉，傾斜度也從25度減少到23度。但因氣候條件不好，風(fēng)大浪高，救援工作被迫中斷。20日凌晨，平臺再次開始下沉，傾斜至27度，雖經(jīng)奮力搶救，但最終未能遏止平臺沉沒。P-36號平臺是巴西最大的海上平臺，也是世界上最大的半浮動式海上油井平臺之一。耗資3.56億美元修建的這座平臺長112米，高119米，相當(dāng)于一棟40層高的大樓。平臺于1999年1月建成，2000年3月投入使用。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，使用壽命為19年，能開采1360米深的海底石油。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為日產(chǎn)石油18萬桶，天然氣7500萬立方米。2001年3月15日凌

7、晨，巴西石油公司在里約熱內(nèi)盧附近海域上的P-36號海上石油平臺連續(xù)連續(xù)3次發(fā)次發(fā)生爆炸，生爆炸，導(dǎo)致最少2人死亡，1人負(fù)重傷及8人失蹤。這次事故給巴西經(jīng)濟(jì)帶來不小的影響，迫使巴西增加石油進(jìn)口，從而導(dǎo)致 貿(mào) 易 赤 字 增加。事故使巴西預(yù)計(jì)2005年實(shí)現(xiàn)石油自給的目標(biāo)推遲年才實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星拍攝的泄露油污原油泄漏已經(jīng)形成了一條長達(dá)100多公里的污染帶。20102010年，埕北勝利年，埕北勝利3 3號號油田傾覆油田傾覆Alexander L. Kielland 翻沉過程The Alexander L. Kielland was a Pentagon-type semi-submersible and,

8、in 1980, was located in the Ekofisk Field for Phillips Petroleum. It was supporting the Edda rig, acting as a so-called flotel (a floating hotel) for workers who travelled between the two rigs via a bridge, although this bridge had been raised prior to the accident due to gale force conditions. Arou

9、nd 1830 hours on 27 March 1980, one of the main horizontal braces supporting one of the five legs failed. The failure of the brace was attributed to a fracture which had developed around a hole in which a hydrophone, used to aid the positioning of the rig, had been installed. After the failure of th

10、e first brace, the remaining five braces attached to the leg failed in quick succession causing the leg to break off. The rig almost immediately listed to one side at an angle of 35 degrees, partially submerging the main deck and accommodation block.1988年7月6日,英國北海PiperAlpha石油天然氣平臺發(fā)生爆炸事故,死亡165人,獲救61人

11、。PiperAlpha平臺于1976年末開始生產(chǎn)。此平臺開發(fā)的Piper油田,油藏面積大約為18.8km 2 ,位于西方石油公司于1973年中標(biāo)的15/17區(qū)塊。平臺設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為日產(chǎn)原油25萬桶。平臺事故發(fā)生的直接原因：平臺事故發(fā)生的直接原因：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲備不足；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲備不足；浮力儲備和穩(wěn)性不足；浮力儲備和穩(wěn)性不足；操作不當(dāng)操作不當(dāng)。海洋平臺的安全性一般是通過保證外海洋平臺的安全性一般是通過保證外載荷效應(yīng)小于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)承載能力的載荷效應(yīng)小于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)承載能力的某個(gè)百分?jǐn)?shù)的方法來達(dá)到的。也就是某個(gè)百分?jǐn)?shù)的方法來達(dá)到的。也就是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上保留一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上保留一定的安全儲備安全儲備。結(jié)構(gòu)破壞并

12、不意味著結(jié)構(gòu)破裂斷開結(jié)構(gòu)破壞并不意味著結(jié)構(gòu)破裂斷開，它只是一種不允許出現(xiàn)的極限狀態(tài)。它只是一種不允許出現(xiàn)的極限狀態(tài)。海洋平臺的結(jié)構(gòu)破壞模式：屈服失效對于屈服失效，其強(qiáng)度條件為：屈曲失效在擾動作用下，直線平衡構(gòu)形轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢胶鈽?gòu)形，擾動除去后，不能恢復(fù)到直線平衡構(gòu)形，則稱原來的直線平衡構(gòu)形是不穩(wěn)定的。此時(shí)發(fā)生的失效形式即為屈曲失效。 對于壓桿的屈曲失效模式，有： 疲勞失效金屬在循環(huán)載荷的作用下，即使所受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷裂，一般不發(fā)生明顯的塑性變形，難以檢測和預(yù)防，因而機(jī)件的疲勞斷裂會造成很大的經(jīng)濟(jì)以至生命的損失。若零件所受的變幅載荷有m級，則在不同級的循

13、環(huán)應(yīng)力下所造成的總損傷度為:脆性破壞失效材料失效時(shí)未產(chǎn)生明顯的塑性變形而突然斷裂。脆性材料如鑄鐵等以脆斷為失效標(biāo)志。 4.1平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟和方法1.平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟根據(jù)平臺作業(yè)海域環(huán)境條件、海底土壤特性、平臺使用要求、安全性、營運(yùn)性能、建造工藝和維護(hù)費(fèi)用以及業(yè)主的希望等選擇平臺的結(jié)構(gòu)形式方案。對多種方案進(jìn)行比較，確定最佳方案，以設(shè)計(jì)出滿足各 項(xiàng)設(shè)計(jì)條件，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良的平臺結(jié)構(gòu)。初步選定一種結(jié)構(gòu)型式，確定平臺主尺度，具體進(jìn)行總布置。如果是移動式平臺，還要進(jìn)行運(yùn)動性能和穩(wěn)性的校核。結(jié)構(gòu)安全性校核。需進(jìn)行外載荷計(jì)算、強(qiáng)力構(gòu)件尺寸的初步確定和構(gòu)件材料的選取等工作，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度分

14、析。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尺寸確定后應(yīng)對在總體布置時(shí)估算的結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行校核，看其與實(shí)際是否一致，若相差較大還需進(jìn)行調(diào)整。局部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平臺節(jié)點(diǎn)是重要的結(jié)構(gòu)部位，它的強(qiáng)度和施工工藝往往直接影響著平臺總體結(jié)構(gòu)的壽命。2.平臺結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法分析方法設(shè)計(jì)波法：又稱確定性法，是以100年一遇的規(guī)則波作為設(shè)計(jì)波，然后計(jì)算作用在平臺上的使用載荷和環(huán)境載荷以及在這些載荷作用下的構(gòu)件應(yīng)力，并根據(jù)規(guī)范的強(qiáng)度衡準(zhǔn)，校核平臺的結(jié)構(gòu)安全性。設(shè)計(jì)譜法：又稱隨機(jī)性法，考慮了實(shí)際海面的隨機(jī)性和不規(guī)則性。實(shí)際的海面可以看作是由各個(gè)不同周期不同波高的成分波組成，這些波浪可以用能量譜來描述。然后按照概率論的譜分析方法，可以求得平臺在不

15、規(guī)則波中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。即在線性疊加原理的假設(shè)下，把平臺在不規(guī)則波中的響應(yīng)看作是由各個(gè)規(guī)則成分波所引起的相應(yīng)的總和。兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)波法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，可以采用高階波浪理論，能夠記入海流的影響，波浪的非線性成分較容易處理；缺點(diǎn)是沒有反映平臺在實(shí)際海面上受到載荷的隨機(jī)性。設(shè)計(jì)譜法的優(yōu)點(diǎn)是能夠較好的描述平臺在不規(guī)則波中的響應(yīng)特性；其缺點(diǎn)是波浪力及錨泊力的非線性問題很難直接考慮，尤其是對惡劣海況時(shí)的波浪的非線性問題更為突出，通常都要近似地做線性化處理，此方法更復(fù)雜，計(jì)算工作量也大得多。4.2設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的幾個(gè)問題1.1.空氣隙空氣隙在上層模塊的最低甲板至海浪高度之間在上層模塊的最低甲板至海浪高度

16、之間的空隙的空隙，又稱為波浪余度。又稱為波浪余度。設(shè)計(jì)時(shí)一般取為設(shè)計(jì)波高的10，最小值1.5m ?？諝庀秾ζ脚_整體的安全性是至關(guān)重要的。對重力式平臺而言，過低的甲板高度會引起局部損傷，對導(dǎo)管架平臺，如果波浪打在甲板上，這時(shí)作用于水下結(jié)構(gòu)的水動力及甲板上的曳力會聯(lián)合作用產(chǎn)生傾覆力矩。2.偶然性損傷事故防護(hù)：海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)必須考慮系統(tǒng)?？看暗呐既恍耘鲎?，生產(chǎn)過程中偶然失落的管件、零件都會造成樁腿、撐桿等鋼結(jié)構(gòu)的破損，使整體強(qiáng)度降低，施工過程中下落的零件垃圾又會加速水下鋼構(gòu)件的腐蝕過程。為防止事故發(fā)生，針對不同的結(jié)構(gòu)科采取不同的措施，如單點(diǎn)系泊裝置，可在水面附近設(shè)防撞裝置， 裝設(shè)屏蔽區(qū)和局部

17、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的防護(hù)系統(tǒng)。立管要遠(yuǎn)離供應(yīng)船的系泊位置，遠(yuǎn)離吊車，以防物體下落砸傷。3.便于檢修：所有構(gòu)件都應(yīng)便于檢修，否則，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮增加強(qiáng)度和使用壽命。4.3設(shè)計(jì)載荷1.環(huán)境載荷指由風(fēng)、海浪、海流、海冰、水溫及氣溫、潮汐、地震等自然環(huán)境引起的載荷，主要有風(fēng)載荷、波浪載荷、流冰載荷、地震載荷等。這些載荷可根據(jù)平臺的設(shè)計(jì)環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算，在設(shè)計(jì)時(shí)取風(fēng)、浪重現(xiàn)期不小于50年。2.使用載荷平臺在使用期間，除環(huán)境載荷以外的其他載荷。包括固定載荷和活載荷。固定載荷是指作用在平臺上的不變載荷，如設(shè)備自重，附屬結(jié)構(gòu)重量，固定不變的機(jī)械設(shè)備管線重量和作用于平臺水下部分的浮力等?；钶d荷則是指與平臺使用有關(guān)的載荷，分

18、為可變載荷和動力載荷?？勺冚d荷包括人員及其生活必需品的重量等； 動力載荷包括動力機(jī)械和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所引起的周期性載荷，平臺鉆井起下鉆作業(yè)、吊機(jī)起重、船舶?？考爸鄙w機(jī)降落等引起的沖擊載荷。3.施工載荷：平臺在建造及海上吊運(yùn)安裝過程中所承受的載荷。這些載荷會使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時(shí)的高應(yīng)力。因此，盡管這些載荷不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷，通常也需校核這些載荷對平臺結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響。4.環(huán)境載荷的計(jì)算環(huán)境載荷是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷，由于受到環(huán)境條件等因素的影響，計(jì)算比較復(fù)雜。1)作用在構(gòu)件上的風(fēng)力式中，P風(fēng)壓，P0.613V2（Pa）V設(shè)計(jì)風(fēng)速 （m/s）S平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)表面的正投影面積（m 2

19、 ）Ch和CS分別為高度系數(shù)和構(gòu)件形狀系數(shù)。2）波浪載荷計(jì)算物體上的波浪載荷，首先應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)波高、周期、構(gòu)件所處水深以及構(gòu)件尺度與波長之比D/選定適用的波浪理論。一般波浪誘導(dǎo)載荷可以分為三種：曳力、慣性力和繞射力。曳力：由于物體造成水流的擾動引起的；慣性力： 由于入射波壓力場引起的作用力； 由于水慣性力引起的附加質(zhì)量力；繞射力：由于考慮物體的作用，而使波浪發(fā)生繞射時(shí)引起的作用力。對于小尺度構(gòu)件，波浪的曳力和慣性力是主要分量；對于大尺度構(gòu)件波浪的慣性力和繞射力是主要分量。Morison公式的表達(dá)式為：垂直柱體在水平方向單位長度上受到的波浪力為：波浪與流聯(lián)合作用于垂直柱時(shí)在水平方向單位長度上受到

20、的力為：式中 U流速M(fèi)orison公式是一經(jīng)驗(yàn)公式，使用起來必然有與經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系的問題。其中困難在于如何恰當(dāng)?shù)倪x取Cd和CM。4.4平臺結(jié)構(gòu)分析及局部詳細(xì)設(shè)計(jì)1.結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)構(gòu)件的屈服、極限載荷、屈曲穩(wěn)定、脆裂、疲勞斷裂分析如果是固定式平臺還要進(jìn)行基礎(chǔ)分析。2.管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)管連接是指一個(gè)或多個(gè)作為撐桿的管子斷面用融焊連接至另一個(gè)作為弦桿的外表面保持原狀的管子的一部分結(jié)構(gòu)。管節(jié)點(diǎn)是指兩個(gè)相交構(gòu)件表面形成的接合部分?；诠?jié)點(diǎn)的類型、節(jié)點(diǎn)參數(shù)和載荷條件，結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)的破壞形式：弦管壁的破壞（沖剪）初始裂紋使張力撐桿從弦管處分離壓力負(fù)載撐桿附近弦管壁的局部屈曲弦管整個(gè)橫斷面的剪

21、切破壞張力撐桿附近弦管壁的層狀撕裂1）平面管節(jié)點(diǎn)參數(shù)熱點(diǎn)在管節(jié)點(diǎn)的弦管內(nèi)有時(shí)會產(chǎn)生巨大的薄膜應(yīng)力，不管撐桿的載荷如何傳遞，沿焊縫的一些點(diǎn)總會產(chǎn)生應(yīng)力集中。這些應(yīng)力集中在一定的臨界位置引起的應(yīng)力較無應(yīng)力集中時(shí)要高若干倍。應(yīng)力集中的位置稱為熱點(diǎn)。尺度比：為了描述管節(jié)點(diǎn)方便，應(yīng)用三個(gè)幾何尺度比：最重要的是直徑比d/D，即撐桿的直徑除以弦管直徑；一般選在0.40.7的范圍內(nèi)；比值為弦管直徑除以弦管的的壁厚，表示弦管壁厚的厚薄指數(shù)；一般選在715的范圍內(nèi)；比值為撐桿壁厚除以弦管壁厚，它是撐桿橫截面斷裂以前弦管壁可能破壞的一個(gè)指標(biāo)；一般選在0.50.7的范圍內(nèi)。2）管節(jié)點(diǎn)的疲勞有時(shí)裂紋會在低于純靜載下材料

22、的屈服應(yīng)力的作用應(yīng)力重復(fù)作用下形成，這種斷裂被認(rèn)為是疲勞破壞?？紤]到近海平臺上海浪引起的隨機(jī)載荷的情況，與通常的疲勞狀態(tài)有兩個(gè)重要的區(qū)別：載荷變化率低，海浪以大約每分鐘10周每小時(shí)600周的比率通過近海結(jié)構(gòu)。近海結(jié)構(gòu)浸沒在腐蝕的介質(zhì)中。由于拉伸應(yīng)力使疲勞裂紋擴(kuò)展，而如果金屬呈拉伸應(yīng)力則金屬腐蝕加速。3）層狀撕裂及預(yù)防產(chǎn)生原因?qū)訝钏毫淹ǔ０l(fā)生在全焊透的T 形角焊附近，呈平行于鋼板軋制方向的階梯狀裂縫，焊接接頭焊后冷卻期間，材料的塑性明顯降低，而鋼板厚度方向受到很大的剛性約束時(shí)，容易發(fā)生層狀撕裂。層狀撕裂的產(chǎn)生與鋼材、工藝及設(shè)計(jì)三個(gè)方面有關(guān)。預(yù)防措施減少鋼材中的含硫量以及焊縫中的含氫量；注意緩和T型角接焊縫的拘束度，減少貫穿板材在厚度方向的焊接殘余應(yīng)力；鋼材使用前對于重要節(jié)點(diǎn)一些厚度方向受力大的鋼板進(jìn)行全面超聲波探傷檢查，防止缺陷；提高焊縫質(zhì)量；將節(jié)點(diǎn)做成鑄件，在與各圓管進(jìn)行焊接。4.5腐蝕與防腐